Назначение и области применения наземной фотограмметрии

Наземная фотограмметрия

Назначение и области применения наземной фотограмметрии

Наземная фотограмметрия является разделом фотограмметрии, который занимается фотограмметрической обработкой снимков, полученных с точек поверхности земли, и применяется для решения топографических и не топографических задач.

В топографии наземная фотограмметрия применяется для создания топографических карт и планов для горных районов в крупных масштабах: 1:500 – 1:5000. Основная причина использования наземной фотограмметрии в горных районах является то обстоятельство, что при выполнении аэросъемки в таких районах часто получаются мертвые зоны, то есть участки местности (склоны гор) не изобразившиеся на снимках.

Не топографическое применение наземной фотограмметрии: используется при решении различных задач в архитектуре, строительстве, горном деле, машиностроении, судостроении, криминалистике, медицине и.т.д.

На рис..1 -.7 приведены примеры применения наземной фотограмметрии в различных областях науки и техники.

Рис..1. Применение фотограмметрии в архитектере и при оценке дорожных происшествий

Рис..2 Применение фотограмметрии в автомобилестроении

Рис..3 Применение фотограмметрии в судостоении

Рис..4. Применение фотограмметрии в робототехнике

Рис..5 Применение фотограмметрии при исследовании дорожного покрытия

Рис..6. Применение фотограмметрии в археологии

Рис..7. Применение фотограмметрии в медицине и биотехнологиях

Съемочные камеры, применяемые в наземной фотограмметрии

На рис. 8 приведена классификация съемочных камер применяемых в наземной фотограмметрии

Рис..8

Данная классификация является достаточно условной, однако дает представление о том многообразии камер, которые существуют и используются в наземной фотограмметрии.

В фотокамерах изображение объекта, как известно, фиксируется на фотопленку или фотопластинку. В цифровых камерах вместо пленки или пламтинки используются матрицы или линейки ПЗС (приборы зарядной связи).

Все фотокамеры состоят из корпуса и объектива. Корпус, как правило, изготавливается из специальных сплавов, который не меняет своих размеров под действием изменений температуры, давления и влажности. Объектив рассчитывается таким образом, чтобы его дисторсия была минимальной. В плоскости прикладной рамки рамка имеются координатные метки, которые впечатываются в каждый снимок. Кроме того, на снимок впечатываются фокусное расстояние и номер снимка.

В таблице.1 приведены основные характеристики одиночных фотокамер.

Таблица.1

Рис. 9. UMK Carl Zeiss (Jena) Рис.10. Rolleimetric

Стереофотограмметрические камеры состоят из двух камер закрепленных на жестком базисе, длина которого не меняется. Съемка выполняется синхронно двумя камерами. Оптические оси камер параллельны между собой и перпендикулярны базису. В таблице.2 приведены основные характеристики некоторых стереофотограмметрических камер.

Таблица.2

Рис.11. UMK с базисом 840 mm. Рис. 12. SMK с базисом120 mm

В таблице.3 приведены в качестве примера основные характеристики некоторых цифровых камер.

Таблица.3

Рис.13 Камера Rolleiflex 6008

Рис.14 Камера Hasselblad H3D39 Рис. 15 Камера Rollei d7 metric

Рис.16 Цифровая камера Kodak DCS Pro14 и DCS 760

Рис.17 Цифровая приставка Kodak ProBack 645 для фотокамер MAMIYA AF, AFD и CONTAX 645

В таблице 5 представлены основные характеристики некоторых цифровых камер, основанных на применении линеек ПЗС. В этих камерах в плоскости прикладной рамки перемещается линейка ПЗС, за счет этого получается изображение (сканерное), состоящее из множества строк, каждая из которых получена в свой момент времени. Время сканирования (получение одного изображения) равно примерно 2 минуты. Естественно, такие камеры можно применять только для съемки статических объектов (не меняющих свое положение в пространстве во времени).

Таблица.5

		Super10 K-2
		Super 8 K-2
	Super 6 K-2

Рис.18. Цифровые сканерные приставки фирмы Better Light для фотокамер

Рис.19. Цифровая сканерная приставка Super10 K-2 фирмы Better Light с фотокамерой

Среди камер, основанных на применении линеек ПЗС существуют и панорамные камеры. На рис. 20 в качестве примера показана панорамна камера EYESCAN M3 фирмы Kamara & System Technik. Эта камера позволяет получать изображения с углом поля зрения, составляющим 360^о. Линейка ПЗС имеет 10000 пикселей

Рис. 20 Панорамная камера EYESCAN M3

Другая группа камер, которая также находит свое применение в фотограмметрии это видеокамеры. В основном они применяются в специализированных фотограмметрических системах для изучения мелких объектов в медицине, робототехнике и т.д. Эти камеры работают в аналоговом телевизионном формате. Для получения цифровых изображений применяются аналого-цифровые преобразователи (захватчики изображений) в виде специальной платы, устанавливаемой в компьютер.

Рис.21 Различные видеокамеры с захватчиком изображений

Современные видеокамеры являются цифровыми, не требующими аналого-цифровых преобразователей. На рис. 22 в качестве примера приведена видеокамера E-PLA741. Скорость съемки такой камерой составляет 27 кадров в секунду с разрешением 1280x1024 пикселей; 33 кадра в секунду с разрешением 1000x1000 пикселей и 8000 кадров в секунду с разрешением 4096 пикселей.

Рис.22 Цифровая видекамера

Рис..1

Ось х этой системы (для фотокамер) проходит через координатные метки 1-2. Началом системы координат является точка о’, получаемая в результате пересечения оси х с линией проведенной через координатные метки 3 и 4. Ось y лежит в плоскости снимка Р и перпендикулярна оси х. Ось z дополняет систему до правой.

Для снимков полученных с помощью цифровой камеры система координат снимка задается следующим образом. Начало системы координат о’ совпадает с пикселем, расположенным в левом нижнем углу матрицы изображения, ось x совпадает с соответствующей строкой, а ось y – с соответствующим столбцом этой матрицы (рис. 1б). Ось z дополняет систему до правой.

Любая точка снимка, например m, имеет в этой системе координат координаты m (х,у,z=0). Центр проекции S имеет в этой системе координаты S (x=x_0, y=y_0, z=f).

f -фокусное расстояние снимка, а х₀ и у₀ – координаты главной точки снимка- o.

Для восстановления связки проектирующих лучей, сформировавших снимок в системе координат снимка o’xyz, необходимо для каждой точки снимка определить координаты вектора в этой системе координат по измеренным на снимке координатам точки m.

(.1).

Из выражения (.1) следует, что для восстановления связки проектирующих лучей, необходимо измерить координаты точки и знать значения координат центра проекции S в системе координат снимка f, х₀, y₀, которые являются постоянными для данного снимка и называются элементами внутреннего ориентирования снимка.

Более широко в фотограмметрии используют систему координат снимка Sxyz, началом которой является центр проекции S, а оси координат параллельны соответствующим осям системы координат o’xyz.

Так как система координат Sxyz параллельна системе координат o’xyz, то, как известно из аналитической геометрии, координаты векторов в обеих системах координат равны, то есть координаты вектора в системе координат Sxyz определяется выражением (.1).

Используя данную систему координат снимка можно применить весь математический аппарат, разработанный для фотограмметрической обработки аэроснимков.

Положение точек объекта (местности) по снимкам определяют в прямоугольной пространственной системе координат OXYZ. В зависимости от решаемой задачи в качестве этой системы координат используют:

- государственную картографическую систему координат (в России – Гаусса – Крюгера) для решения топографических задач;

- произвольную систему координат, связанную с характерными точками объекта;

- базисную систему координат.

Последняя система координат показана на рис..2

Начало системы координат находится в центре фотографирования левого снимка S₁. Ось Z совпадает с вертикалью. Ось X совпадает с проекцией базиса фотографирования на горизонтальную плоскость XY. Ось Y дополняет систему до правой.

Положение и ориентацию системы координат снимка (или, что то же самое – снимка) в системе координат объекта OXYZ определяют элементы внешнего ориентирования снимка.

Положение центра проекции S в системе координат объекта определяют его координаты Xs,Ys,Zs.

Угловая ориентация системы координат снимка относительно системы координат объекта определяется ортогональной матрицей:

(.2)

Элементами этой матрицы являются, как известно, направляющие косинусы, которые зависят от трех углов w, a, k и вычисляются по тем же формулам, что и для аэроснимков.

Геометрическая интерпретация угловых элементов внешнего ориентирования w, a, k показана на рис..3

Рис. 3

Здесь

w - поперечный угол наклона снимка. Угол между осью Z и проекцией оси z на плоскость ZY.

a - продольный угол наклона снимка. Угол между осью z и ее проекцией на плоскость ZY.

k - угол разворота снимка. Угол лежащий в плоскости снимка между осью x и следом сечения плоскости снимка плоскостью Xz.

Если сравнить эти углы с угловыми элементами внешнего ориентирования аэроснимка, то видно, что они те же самые и имеют туже геометрическую интерпретацию. Единственное отличие заключается в значении угла w, которое для наземных снимков равно примерно 90^о.

Следует отметить также, что в наземной фотограмметрии в отличии от аэрофотограмметрии углы наклона снимков могут принимать значения от 0^о до 360^о, в зависимости от решаемой задачи.

Рис. 5.8

Рис. 5.9

Как показал практический опыт работ при съемке цифровыми камерами со штативом или без него значения угловых элементов внешнего ориентирования съемочных камер устанавливаются с точностью 3-7˚.

Нормальный случай съемки используют когда базис при съемке можно расположить приблизительно параллельно объекту съемки и по высоте объект полностью изображается на снимках стереопары.

Равноотклоненный случай съемки.

В отличие от нормального случая съемки в равноотклоненном случае оси z (оптические оси) съемочных камер приблизительно параллельны между собой и отклонены от оси Y базисной системы координат на угол a (рис. 5.10). Угловые элементы внешнего ориентирования снимков в этом случае имеют следующие значения: a₁ » a₂ » a, w₁» w₂» 90^o, k₁» k₁ » 0^o.

Рис. 5.10

Равнооотклоненный случай съемки используют в качестве дополнения к нормальному случаю при необходимости увеличить зону съемки по горизонтали. Для этого с одного базиса производят съемку стереопары нормального случая и одной или двух стереопар равноотклоненного случая съемки. Кроме того, равнотклоненный случай съемки целесообразно приметять при непараллельности базиса съемки объекту.

Равнонаклонный случай съемки.

В равнонаклонном случае съемки оси z (оптические оси) камер приблизительно параллельны между собой и наклонены относительно горизонтальной плоскости на некоторый угол w (рис.5.11). Угловые элементы внешнего ориентирования снимков в этом случае имеют следующие значения: a₁ » a₂ » 0^o _, w₁» w₂» w, k₁» k₁ » 0^o_.

Рис. 5.11

Наклоном съемочной камеры на угол w можно добиться оптимального расположения объекта на снимке. Равнонаклонный случай целесообразно использовать, например, при съемке высоких зданий.

В ряде случаев практики, например, при съемке высоких сооружений целесообразно производить получение стереопар снимков нормального, равноотклоненного и равнонаклонного случаев съемки с вертикального базиса. В этом случае в базисной системе координат ось Z горизонтальна.

Рис.5.12

На рис.5.12, в качестве примера, представлена стереопара снимков нормального случая съемки с вертикального базиса.

Маршрутная и блочная съемки

При съемке протяженных объектов целесообразно использовать маршрутную или блочную съемку.

В качестве примера на рис.5.13 представлен вариант маршрутной съемки здания.

Рис.5.13

В маршрутной съемке из смежных снимков маршрута, формируется стереопары снимков нормального или равнонаклонного случаев съемки. При этом съемка выполняется таким образом, чтобы у смежных стереопар имелась область так называемого тройного перекрытия. Для этого съемку выполняют таким образом, чтобы смежные снимки в маршруте перекрывались по направлению маршрута приблизительно на 60 %.

В случае если, проведении маршрутной съемки объект изображается на снимках по высоте не полностью, производят блочную (многомаршрутную) съемку, в которой выполняют дополнительную маршрутную съемку объекта, формируя один или несколько параллельных первому маршрутов с поперечным перекрытием маршрутов не меньше 20 – 30 %. Возможны два варианта проведения блочной съемки. В первом варианте маршрутные съемки производят с разных высот, например с поверхности земли и крыши здания (рис.8). Во втором варианте с каждой точки фотографирования получают снимки при разных углах наклона w, из которых формируют перекрывающиеся маршруты из стереопар снимков нормального и равнонаклонного случаев съемки (рис.9).

Рис.8

Рис.9

Как показывает практика, при выполнении съемки могут возникнуть мертвые зоны (участки объекта не изобразившиеся на стереопаре снимков). Для съемки этих мертвых зон необходимо производить дополнительную съемку. На рис.10 мертвые зоны, возникающие при проведении съемки с точек фотографирования S_1, S_2, S₃ показаны серым цветом. Для съемки этой части объекта необходим дополнительный базис фотографирования (S₄ – S₅).

Рис.10

На рис. 11 показаны некоторые технические средства, применяемые для реализации вышеописанных случаев съемок в наземной фотограмметрии.

Рис.11

Рис. 5.14

Предположим, что из точки S был получен снимок P, на котором точка объекта M изобразилась в точке m.

Во время съемки были измерены горизонтальный j и вертикальный n углы.

Координаты точки M можно вычислить следующим образом, как это следует из рис.5.14.

(5.28)

Где D - расстояние SM.

Подставляя (5.28) в уравнения коллинеарности (5.16) получим:

(5.29)

Эти уравнения называются уравнения коллинеарности в полярных координатах. В качестве неизвестных здесь выступают только угловые элементы внешнего ориентирования снимка w, a, k.

Для нахождения неизвестных переходим от нелинейных уравнений (5.29) к линейным уравнениям поправок:

(5.30)

Для решения задачи необходимо иметь как минимум два контрольных направления. Если имеется более трех контрольных направлений, то задача решается по способу наименьших квадратов, методом последовательных приближений.

Рис.8.1

После съемки этого объекта исследуемой камерой решается обратная засечка, на основе расширенных уравнений коллинеарности:

(8.3)

где d_x,d_y – поправки в координаты точек снимка за дисторсию объектива, вычисляемые по (8.1) или (8.2). В качестве неизвестных в уравнениях (8.3) выступают элементы внутреннего f,x_o,y_o, и внешнего ориентирования X_S,Y_S,Z_S, w,a,k и коэффициенты дисторсии k₁,k₂,k_3, p₁,p_{2 .} Для их определения составляют эти уравнения по измеренным координатам точек снимка x,y и координатам X,Y,Z соответствующих точек тест-объекта.Задача решается по способу наименьших квадратов, методом последовательных приближений.

Для камер, в которых происходит преобразование видеосигнала в цифровую форму, рекомендуется добавить к уравнениям (8.3) коэффициенты аффинного преобразования а₁ и а₂, то есть:

(8.4)

Чтобы решить проблему калибровки камеры корректно и надежно на основе уравнений (8.3) и (8.4) большое значение имеет тест-объект (размеры, количество точек и точность их координат) и метод его съемки. Съемку следует выполнять таким образом, чтобы точки объекта покрывали всю площадь снимка (рис. 8.5)

Рис.8.5

Размеры тест-объекта зависят от типа камеры, подлежащей калибровке, т.е. зависят от оптимальных отстояний Y_S съемки, для которых предназначена данная камера. Если приблизительно известно это отстояние и фокусное расстояние камеры, то можно вычислить размеры тест-объекта из рис. 8.5. В качестве теста можно использовать фасад здания, на котором маркируются с большой густатой опорные точки. Что касается распределения точек, то их следует располагать равномерно по всей площади в плоскости, параллельной плоскости снимка (так, чтобы покрыть весь снимок точками для надежного определения коэффициентов дисторсии объектива) и в перпендикулярном направлении (по глубине) для определения фокусного рассояния камеры.

На рис. 8.6 показаны примеры тест-объектов.

Рис.8.6

Если опорные точки тест-объекта будут находиться в одной плоскости, то в следствии корреляции фокусного расстояния f с отстоянием Y_S при решении обратной засечки приводит к неопределенности решения. Это обстоятельство поясняет рис. 8.7.

Рис.8.7

Предположем, что плоский тест-объект был снят камерой с фокусным расстоянием f из точки S, установленной от объекта на отстоянии Y_S =SN. В результате решения обратной засечки при совместном нахождении f и Y_s возникает многозначность решения, одним из которых является f’ и Y’_S (рис.8.7) при котором все проектирующие лучи пересекаются в точке S’. В тоже время для пространственного объекта существует только одно решение в точке S, так как в точке S’ не пересекаются все лучи (рис. 8.8).

Рис.8.8

Очевидно, что чем больше третье измерение объекта (h), тем более надежно решение. Из экспериментальных исследований известно, что отношение h/Y_S не должно быть меньше чем 1/5.

Точность координат точек тест-объекта с которой их следует определять, можно подсчитать по простой формуле:

где d _x – точность с которой необходимо определить параметры калибровки. Предположим, что d_x =0.001mm, фокусное расстояние камеры примерно равно f =100mm, съемка будет выполняться с расстояния Y_S =30m, тогда d_X = 0.1mm

Самокалибровка

Самокалибровка это метод калибровки камер, позволяющий определить параметры камеры в процессе фототриангуляции, выполняемой по реальным снимкам объекта.

В главе 5 мы рассмотрели фототриангуляцию по способу связок, которая основана на уравнениях коллинеарности. Фототриангуляция с самокалибровкой выполняется таким же образом, единственное отличие заключается в том, что к уравнениям коллинеарности добавляются параметры d_x и d_y, характеризующие систематические ошибки снимков, т.е. (8.3) или (8.4).

Некоторые авторы вместо формул дисторсии объектива (8.1), (8.2) для d_x и d_y используют полиномы различных степеней, считая, что полиномы описывают суммарную систематическую ошибку снимков, складывающуюся из дисторсии объектива, рефракции, деформации фотоматериала и т.д.

До сих пор нет четкого мнения какой метод лучше, так как в каждом конкретном случае фототриангуляции наилучший вариант будет свой. Поэтому многие программы фототриангуляции с самокалибровкой имеют возможность выбирать дополнительные параметры в автоматическом или интерактивном режиме, на основе анализа корреляции между параметрами и элементами внутреннего и внешнего ориентирования снимков.

В любом случае при выполнении фототриангуляции с самокалибровкой рекомендуется на каждом снимке измерять не менее 30 точек распределенных по всей площади снимка.

Рис.5

Преобразование координат осуществляется по известным формулам:

(9)

где X,Y,Z – координаты точки объекта в системе координат объекта OXYZ; X’Y’Z’ - координаты точки объекта в системе координат сканера (модели) SX’Y’Z’, вычисляемые по (1); X₀,Y₀,Z₀ – координаты начала системы координат сканера SX'Y'Z' относительно системы координат объекта; A – матрица поворота, зависящая от трех углов wak.

Неизвестные элементы внешнего ориентирования модели (сканера) X₀,Y₀,Z₀,w,a,k можно определить по опорным точкам. Из (9) видно, что минимальное число опорных точек равно 2, однако в этом случае может возникнуть неопределенность в определении угловых элементов. Поэтому минимальным числом опорных точек следует считать 3, не лежащих на одной прямой. Естественно, лучше иметь больше опорных точек, разнесенных по площади.

После перевычисления всех точек модели по формулам (9) получим внешне ориентированную модель объекта, т.е координаты всех точек модели в системе координат объекта OXYZ.

Рис.6

На рис.7 показан пример объединения (взаимного ориентирования) двух моделей, выполненное по связующим точкам, измерение которых выполнялось автоматически (рис.7а – две исходные модели, рис. 7b – общая модель объекта).

a) b)

Рис.7

Рис.7

Рис.8

На рис.10 показан еще один пример возможного выполнения съемки с помощью трехмерного сканера LMS-Z420.

Рис.10

Рис.9

Здесь 1 - Лазерный дальномер.

2 – Лазерный луч.

3 – Вращающаяся зеркальная призма.

4 – Вращающаяся оптическая головная часть.

5 – Кабель передачи данных на LPT порт PC.

6 – Персональный компьютер (PC)

7 – Программное обеспечение.

q – Вертикальный угол поля зрения.

Данный сканер позволяет выполнять съемку с расстояниями до объекта от 2м до 1000м со следующими углами поля зрения: вертикальный – 80^o, горизонтальный – 360^o. При этом величина углового шага сканирования Dj и Dn может достигать 0,01^о, с точностью измерения углов 0,002^о. Длины линий измеряются с точностью 10-20мм (в зависимости от расстояния). Скорость выполнения измерений – до 9000 точек в секунду.

На рис.11 показаны некоторые примеры наиболее распространенных наземных лазерных сканеров а в таблице 1 их характеристики.

Таблица 1

Рис.11

((__lxGc__=window.__lxGc__||{'s':{},'b':0})['s']['_228467']=__lxGc__['s']['_228467']||{'b':{}})['b']['_699615']={'i':__lxGc__.b++};

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: